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热成像测量新应用的温度

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热成像市场已经开始加热,随着更直观,成本效益的,标准化的相机使其有益于更清晰的浮雕。

markus tarin,movitherm

虽然热红外成像技术曾经限于防御和政府资助的应用,但它在过去几十年中变得更加主流。该技术的越来越意识,主要是由手持热摄像机的越来越多的维护和电气故障排除而推动。然后去年来到Covid-19危机,并带着它的冲击热成像解决方案充斥了市场。多种热成像传感器技术和摄像机已被用于发烧检测,尽管从技术上讲,传感器只测国际买球的网站量皮肤表面温度。

通常不透明的包装塑料在SWIR中的透光性往往比在可见范围内的透光性更强,这使得SWIR摄像机可以很容易地检测到对SWIR波长的透光性较低或甚至强吸收的内容物的填充水平(左)。假调色板用于突出或强调人类观察者的温度变化,而不改变底层像素的温度值(右)。MoviTHERM礼貌。


通常不透明的包装塑料在SWIR中往往比在可见范围内的透光性更强,这使得SWIR摄像机可以很容易地检测到对SWIR波长的透光性较低或甚至强吸收的内容物的填充水平(剩下)。假调色板用于突出或强调人类观察者的温度变化,而不改变底层像素的温度值(正确的)。MoviTHERM礼貌。

尽管如此,红外线和热成像仍然是许多最终用户的神秘。即使是熟练的机器视觉集成商也可能与实现不可见的成像技术的实现斗争。这并不令人惊讶,因为人类缺乏视觉上感知的能力。

为了更好地理解红外线和热摄像头可以做什么,用户必须了解相机的工作和涉及的物理。与主要在400至700nm之间的可见光谱中操作的标准机器视觉相机相比,红外和热摄像机技术涵盖了近三个区域的显着更广泛的光谱范围:短波红外(SWIR)在0.9和1.7μm之间,中空红外(MWIR)在3到5μm之间,并且长波红外(LWIR)在8至14μm之间。

光谱波段规范是由用于各种摄像机的探测器技术的特性定义的。国际买球的网站光谱波段来源于探测器材料敏感的波长。根据科学原理,物理学文献可以对这些红外光谱波段进行不同的分离。

进入苏尔州

许多常见应用可以从每个波段中的检测中受益。并非所有都涉及温度测量。一些利用材料科学的物理学,相对于光谱选择性反射,吸收和/或透射。

例如,通常不透明的包装塑料在SWIR中比在可见范围内的透光性更强,这使得SWIR摄像机可以很容易地检测到透光性较低或甚至对SWIR波长吸收较强的内容物的填充水平。结果得到的SWIR图像具有足够好的对比度,可以进行检查。

SWIR技术也适用于农业,它可以监测作物和植物的健康,检测擦伤,或测量水果的含糖量。所有这些应用都使用某种形式的光谱反射率、吸收或传输作为底层检测方法的基础。

当用SWIR相机测量温度时,重要的是要了解,在SWIR光谱区域,大部分信号仍然是由反射光产生的,而不是来自辐射的红外能量。这可以通过一个依赖可见光的标准机器视觉应用程序来说明。

用SWIR相机测量温度需要相当多的热能来克服反射光并在传感器上记录为辐射能量。因此,对于低于400℃的温度,使用SWIR检测器对摄像机进行温度校准通常是没有意义的。这使得SWIR摄像机适用于高温应用,如熔化金属成像或检查焊接过程等。

酷的压力下

真正的热效应在室温或室温以下的波长约为3µ米及以上。能够捕捉这些效应的成像设备通常被认为是真正的热感相机。术语“红外照相机”不再用来指这些成像仪,因为大部分被捕获的信号来自辐射的红外热能。

概述了电磁波谱,包括适用的红外波长。MoviTHERM礼貌。


概述了电磁波谱,包括适用的红外波长。MoviTHERM礼貌。

科学家和相机制造商对红外光谱的光谱带有不同的定义。后者定义的边界依赖于热成像相机使用的探测器技术的特性。国际买球的网站碲化汞镉。FLIR系统公司提供。


科学家和相机制造商对红外光谱的光谱带有不同的定义。后者定义的边界依赖于热成像相机使用的探测器技术的特性。国际买球的网站碲化汞镉。FLIR系统公司提供。

MWIR热成像相机非常适合各种热成像应用。然而,它们也有一个缺点。它们非常昂贵,640 × 512像素的探测器的中间价格约为7万美元。这些探测器价格昂贵,因为它们必须被低温冷却到大约75 K,或−198.15°C。探测器材料对热辐射非常敏感,传感器在室温下会立即饱和。在现代相机中,低温冷却是由位于相机体内的闭路斯特林冷却器完成的。在过去,这类相机的冷却是用装满液氮的大气瓶来实现的。

一个更实惠的选择是配备微辐射热计型探测器的热成像相机。根据像素分辨率、探测器噪声水平和温度精度,这些相机的起价低于1000美元,分辨率为80 × 60像素。微辐射热计的工作原理与典型的光子捕获探测器完全不同。它的操作是基于微尺寸的热阻像素。当这些像素暴露在红外辐射(热)下时,它们的电阻就会改变。不需要低温冷却。这种类型的一些相机使用热电冷却元件,这比低温冷却更容易操作,成本更低。

LWIR相机中的每个像素都有一个物理质量,需要通过捕捉到的物体的热辐射对其进行加热。这施加了一个固定的时间常数,这个常数是由在相机读出电阻变化之前每个像素适当预热所花费的时间来描述的。常量通常在8到14毫秒之间,取决于像素大小。缺点是,当需要对移动物体成像时,时间常数会带来挑战。

8毫秒似乎是很短的时间。但取决于相机的视野和物体的速度,它是成像,显著的运动模糊伪影可以发生在捕获的图像。运动模糊是在积分时间(即时间常数)期间对象的部分经过检测器像素时创建的。换句话说,在物体移动到相邻像素之前,一个像素可能不能完全整合它试图捕捉的热辐射。反过来,这会导致温度平均效应,导致测量误差和其他问题。

非冷却的微辐射热计探测器提供了一个更经济的替代低温冷却MWIR相机。微辐射计捕捉热图像数据的能力是基于微尺寸的热阻像素,当暴露于红外辐射(热)时,会改变其电阻。MoviTHERM礼貌。


非冷却的微辐射热计探测器提供了一个更经济的替代低温冷却MWIR相机。微辐射计捕捉热图像数据的能力是基于微尺寸的热阻像素,当暴露于红外辐射(热)时,会改变其电阻。MoviTHERM礼貌。

运动模糊不是热成像中发生的唯一模糊类型。由于热量图像中的对比度是由温度的变化引起的,因此大多数热图像看起来模糊。这种模糊不是对焦的影响或缺乏。它是物理学 - 热力学的功能,更精确。

热能从能量较高的温暖地区流向能量较低的寒冷地区。这种行为完全是动态的,它会产生温度转变或热梯度。因为热图像中的温度是用亮度变化来表示的——白色代表较热的区域,黑色代表较冷的区域——灰色变化发生在较热和较冷的区域之间。

通电后的电子电路的热像。只有在发射率发生变化的情况下,或者当一个较温暖的区域与周围区域的热隔离时,这样的图像才会清晰。由于这种由热扩散引起的动态行为,热成像与信号处理的关系可能大于与图像处理的关系。I / O:输入/输出。MoviTHERM礼貌。


通电后的电子电路的热像。只有在发射率发生变化的情况下,或者当一个较温暖的区域与周围区域的热隔离时,这样的图像才会清晰。由于这种由热扩散引起的动态行为,热成像与信号处理的关系可能大于与图像处理的关系。I / O:输入/输出。MoviTHERM礼貌。

这些过渡给出了模糊边缘的外观。通常在标准机器视觉应用中通常不发生效果,其依赖于光反射表面或特征的光的效果。这种反射模式是恒定的,因为它在图像中创造的对比度。当存在发射率的变化时,或者当存在较高的区域时,唯一的情况是当从其周围区域热隔离时。由于这种动态行为,这是由热扩散引起的,热成像可能与信号处理更有关,而不是通过图像处理。

了解发射率

当使用红外或热感照相机时,发射率的特性可能是需要了解的最重要的一个现象。因此,它经常是热成像课程和研讨会上谈论最多的主题之一。简而言之,发射率描述的是固体辐射红外能量的能力。发射率主要由三部分组成:反射能量、透射能量和辐射能量。所有这些分量的和必须等于1。

由于大多数材料不允许红外辐射的传输,成像主要与反射和辐射能量有关。在这种情况下,求1的和可能使测量热反射物体的温度即使不是不可能,也是困难的。例如,试图识别一个闪亮的不锈钢水箱的温度被认为是不可行的热成像应用——除非水箱表面的发射率可以改变。如果允许,可以在油箱的某个区域涂上暗黑色涂层,以将其发射率提高到0.9或更高。通过热导,这种高发射率涂层会承受水箱表皮的温度。涂层就会顺利地向热成像相机辐射能量,从而实现精确的温度测量。

涉及不能改变的低发射率表面的应用可能需要通过接触方法测量,例如通过附接物理热电偶。

另一个需要考虑的问题是使用热成像相机进行机器视觉时,热成像相机的可用空间分辨率。对于商业应用,最高的分辨率约为1.3万像素,与更多实惠的相机提供640 × 480或640 × 512万像素。与最先进的机器视觉摄像机相比,这些功能相形见绌,后者可以提供70万像素甚至100万像素的分辨率。红外摄像机还需要做些调查。

用于热感照相机的镜头材料是奇异的。最典型的是锗。标准硼硅酸盐玻璃阻挡了中波和长波红外,因此不是一种适合的光学材料。

热成像相机制造商必须校准一个镜头到它被纳入其中的相机。许多制造商同时也是热感相机的镜头供应商。因此,每台相机只提供1到5个镜头选择的情况并不少见,这进一步复杂化了成像系统的设计。

如果热成像相机需要一个外壳来保护它免受恶劣环境的影响,情况就会变得更加复杂。在这种情况下,观察窗还必须配备红外透射玻璃,如锗或其他合适的材料。

热膨胀

尽管有这些挑战和缺点,热感摄像机在工业和非工业成像应用中都变得越来越突出。有几个因素促成了这种增长。成本的降低可以说是最大的原因。其次是引入了标准通信协议——GenICAM——以及一个标准的物理接口。首先是Firewire,现在大多数相机都配备了千兆以太网。

就在不久以前,用户还必须使用他们最好的编程技能,在软件开发工具包的帮助下,实现一个专有的通信接口,结果却发现下一款相机在产品线中是不兼容的。相机制造商朝着更加统一的通信标准迈进的举动,有利于相机的销售,同时也导致系统集成商和终端客户的广泛采用。尽管热成像相机制造商继续努力完全坚持这些标准,情况肯定有所改善。

最近也看到了热智能相机的引入。尽管在热成像和标准机器视觉之间存在差异,但智能相机将有助于进一步推动热成像技术的采用。然而,这种采用只可能用于不需要复杂图像或信号处理的简单应用程序。

满足作者

马库斯·塔林是MoviTHERM的总裁兼首席执行官。他在可见和非可见成像方面有着丰富的经验,并一直是许多国防、研究、医疗和工业应用开发项目的首席架构师。


光子谱
4月2021年
术语表
热成像
制造场景的可见二维图像的过程,其取决于从场景到达成像装置的孔的场景中的热量或红外辐射的差异。
特性 热成像 相机 传感器和探测器 农业 工业的

注释
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